Thiết kế mạch ổn áp Boost

Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” thì đây là một cơ hội rất tốt để chúng em đi sâu vào tìm hiểu và áp dụng những kiến thức của các học phần lý thuyết liên quan vào việc thiết kế, c

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP 1

1.1 Giới thiệu chương: 1

1.2 Ổn áp: 1

1.2.1 Ổn áp xoay chiều: 1

1.2.2 Ổn áp một chiều (DC): 2

1.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC) 2

1.2.3 Ổn áp tuyến tính 4

1.2.4 Ổn áp xung 5

1.2.5 Ổn áp xung Buck: 7

1.2.5.1Sơ đồ khối: 7

1.2.5.2 Nguyên lí làm việc: 7

1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost: 8

1.2.6.1 Sơ đồ khối: 8

1.2.6.2 Nguyên lí hoạt động: 8

1.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost 9

1.4 Kết luận chương 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Mạch nguyên lí 13

2.2 Các khối điều khiển trong mạch 14

2.2.1 Khối tạo xung 14

2.2.2 Khối điều chế độ rộng xung 17

2.2.3 Khối điều khiển 19

2.2.4 Khối hồi tiếp 20

2.2.5 Khối mạch lọc 23

2.2.6 Khối nguồn 24

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 25

3.1 Giới thiệu chương 25

3.2 Tính toán thiết kế từng khối trong mạch ổn áp 25

3.2.1 Tính toán thiết kế khối mạch lọc 25

3.2.2 Tính toán thiết kế phần tử chuyển mạch 28

3.2.5 Tính toán khối điều chế độ rộng xung 30

3.3 Tính toán mạch hồi tiếp 31

3.3.1 Tính toán mạch so sánh 31

3.3.2 Tính toán mạch điện áp chuẩn 31

3.3.3 Tính toán mạch lấy mẫu 32

3.4 Kết quả đo xung thực tế 33

3.5 Kết luận chương 34

KẾT LUẬN 35

Tài liệu tham khảo 36

PHỤ LỤC 37

Là sinh viên theo học khối kỹ thuật nói chung và ngành cơ điện tử nói riêng, được học và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ đi trước đã để lại, ngoài việc phải nắm vững các kiến thức sẵn có thông qua việc học lí thuyết, các sinh viên kỹ thuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo

ra các sản phẩm có khả năng ứng dụng vào thực tiễn vì vậy Đồ án Điện tử ứng dụng chính là cơ hội cho chúng em vận dụng các kiến thức được học ở trường và giúp chúng em rèn luyện thêm nhiều kỹ năng khác

Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” thì đây là một cơ hội rất tốt để chúng

em đi sâu vào tìm hiểu và áp dụng những kiến thức của các học phần lý thuyết liên quan vào việc thiết kế, chế tạo một mạch điện tử Là lần đầu thực hiện một sản phẩm mạch điện tử không thể tránh khỏi được những sai sót, khuyết điểm mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô

Qua đây, em cũng xin cảm ơn thầy Lê Hồng Nam đã giúp chúng em thực hiện

đề tài này

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Bá Thi Hứa Bạch Long Phạm Văn Tuấn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP

1.1 Giới thiệu chương:

Hầu hết mọi thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần một nguôn điện đáp ứng tốt để không làm ảnh hướng tới mọi hoạt động của nó, để biết rỏ hơn về vài trò cũng như phân loại và đặc điểm của từng loại ổn áp thì ở chương này sẻ làm rỏ các vấn đề đó Đặc biệt là ổn áp xung Boost

1.2 Ổn áp:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện

tử nói riêng thì ngày nay các thiết bị điện tử đã được sử dụng một cách rộng rải và ngày càng hiện đại, áp dụng vào nhiều lỉnh vực khác nhau trong đời sống hàng ngày,

từ các thiết bị gia dụng, dây chuyền sản xuất, các thiết bị điện tử hiện đại vv Một trong những thành phần không thể thiếu và nó ảnh hưởng trực tiếp đến đến sự hoạt động của một hệ thống hay mạch điện đó chính là nguồn điện Đa phần hiện nay các mạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi các nguồn điện áp khác nhau cung cấp cho nó từ một nguồn cố định hay đã có sẳn, do vậy cần có một hệ thống đảm bảo cung cấp đúng nguồn điện cho các mạch điện hay hệ thống hoạt động một cách tốt nhất và đảm bảo duy trì tuổi thọ cho các thiết bị điện

Ổn áp là một hệ thống được thiết kế để cung cấp và duy trì ổn định một mức điện

áp đầu ra với một điện áp đầu vào có thể thay đổi, cung cấp nguồn hoạt động cho các mạch điện hoặc hệ thống điện

Trên thực tế có nhiều loại ổn áp khác nhau hoạt động trên nguyên lí không giống nhau, về cơ bản ổn áp được chia làm ổn áp xoay chiều và ổn áp một chiều, tùy thuộc vào đặc điểm hoạt động khác nhau thì ổn áp một chiều lại được chia làm nhiều loại khác nhau nữa

1.2.2 Ổn áp một chiều (DC):

Mọi ổn áp DC đều có nhiệm vụ đó là biến đổi điện áp vào DC (một chiều) thành điện áp ra DC xác định, ổn định và duy trì điện áp đó không đổi trên một tầm rộng của

các điều kiện điện áp vào và dòng tải Để làm được điều đó thì một ổn áp thường có :

1 Phần tử chuẩn : để cung cấp một mức điện áp ra biết trước

2 Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp ra

3 Phần tử khuếch đại sai lệch: để so sánh mẫu điện áp chuẩn và cho sai tín hiệu sai lệch

4 Phần tử điều khiển: để biến đổi điện áp ra thành điện áp mong muốn khi điều kiện tải thay đổi và được điều khiển bằng tín hiệu sai lệch

Tùy vào kiểu ổn áp khác nhau thì sẻ có các thành phần khác nhau, nhưng cơ bản các kiểu ổn áp điều có 4 thành phần trên

Hình 1.1: sơ đồ khối của một nguồn ổn áp cơ bản

1.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC)

Ổn áp DC được chia làm 2 nhóm chính : ổn áp tham số và ổn áp theo nguyên lí

bù

a) Ổn áp Zener ( Ổn áp tham số)

Là loại ổn áp dùng để ổn định điện áp một chiều sử dụng đi ốt bán dẫn Zener, loại

ổn áp này có nhược điểm là dòng qua tải nhỏ, không có hồi tiếp

Diode Zener gồm có 1 lớp tiếp xúc P-N và 2 chân cực là anốt và catốt, anốt được nối với lớp bán dẫn P còn catốt được nối với lớp bán dẫn N được bọc trong võ kim loại hoặc nhựa tổng hợp

Đặc tuyến vôn-ampe của Diode:

Hình: 1.2 Đặc tuyến vôn-ampe

- Phần thuận của đặc tuyến ( Khi U AK>0)

Khi Diode được phân cực thuận thì dòng tăng rất nhanh, ta phải chủ ý đến dòng điện thuận cực đại I th.max , diode không được làm việc với dòng điện cao hơn trị số này Khi U AK > 0 nhưng trị số nhỏ thì dòng điện thuận quá nhỏ nên diode chưa được coi là phân cực thuận, chỉ khi U AK U D thì diode mới được tính là phân cực thuận U D

được gọi là điện áp thuận ngưỡng của diode, khi U AK U D thì dòng điện thuận có trị

số khoảng 0.1I th.max và khi U AK U D thì dòng tăng rất nhanh U có giá trị (0,1-0,3)V D

đối với diode gecmani và (0,4-0,8)V đối với silic

Điện trở của diode khi phân cực thuận:

Với V là điện thế nhiệt, I là dòng qua diode, T R điện trở gộp bao gồm điện trở B

trơ của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc

Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua R B

Phân tích mạch DC chứa Diode zener:

Hình: 1.3 Mạch DC chưa diode Khi diode được phân cực thuận thì dòng qua diode sẻ là :

s z D

1.2.3 Ổn áp tuyến tính

- Nguyên lí hoạt động của ổn áp tuyến tính:

Sự ổn định của điện áp điện thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp Khi điện áp vào Vi biến thiên, điện áp ngõ ra Vo cũng biến thiên thì mạch sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển để bù vào sự biến thiên đó Đây là mạch làm việc dựa theo nguyên lí bù

Hình 1.4 sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính

- Ưu điểm của ổn áp tuyến tính:

+ Ổn áp tuyến tính có độ ổn định cao

+ Ít gây nhiễu

+ Dể thiết kế và thi công

- Nhược điểm của ổn áp tuyến tính:

- Nguyên lí hoạt động của ổn áp xung:

Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa điện tử Khi khóa dẫn nguồn DC được nối với một ngõ ra, khóa tắt cắt nguồn ra khỏi mạch Như vậy tín hiệu ra của khóa là một dãy xung Muốn có điện áp một chiều cho tải người ta sử dụng bộ lọc Thông thường dung mạch lọc RLC, tùy thuộc vào tần số

và độ rộng xung ngõ ra của khóa mà trị số điện áp một chiều ở trên tải có thể lớn hoặc nhỏ Để ổn định điện áp trên tải người ta thường so sánh nó với một mức điện áp chuẩn Sự sai lệch sẻ được biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử Dưới đây là sơ đồ hoạt động của ổn áp xung:

Hình 1.5 sơ đồ hoạt động của ổn áp xung

- Phân loại ổn áp xung :

+ Tùy thuộc vào phần tử điều chỉnh nổi tiếp hay song song với tải người ta chia làm ổn áp xung nối tiếp và ổn áp xung song song

+ Tùy thuộc vào điện áp ngõ vào và ngõ ra người ta chia làm ổn áp xung Buck,

ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost, ổn áp xung Cuk

 Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào

 Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào

 Ổn áp Cuk: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào

 Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào

- Ưu điểm của ổn áp xung:

+ Tổn hao ít nên hiệu suất cao ( thường trên 80%)

+ Độ ổn định cao cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung

+ Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ

- Nhược điểm của ổn áp xung:

và cuộn cảm L

Gọi t x là thời gian mở của phần tử chuyển mạch:

Điện áp trung bình trên tải:

0 0

1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost:

Ổn áp Boost là loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ ra lớn hơn điện áp trung bình ngỏ vào,hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung

độ rộng của xung được tạo ra bởi khối điều chế độ rộng xung, khối này nhận tín hiệu

xung kích hướng âm được tạo ra bởi mạch xén và tín hiệu sai lệch để xác định độ rộng của xung kích sao cho tín hiệu ra Vo ổn định Dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L Tín hiệu ra được lấy một phần ( Lấy mẫu) đem so sánh với điện áp chuẩn tạo

ra tín hiệu sai lệch để điều chế độ rộng xung

1.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost

Chế độ dòng liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điện cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ liên tục

có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưng đòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần

Trong thời gian (𝑡𝑜𝑛) Transistor đóng, điện áp nguồn được đặt hoàn toàn vào cuộn cảm L1, khi đó sư thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây trong khoảng 𝑡𝑜𝑛 được xác định theo công thức

Hình 1.8 Nguyên lí hoạt động ổn áp Boost

- Thời giant on ( khóa S đóng):

- Thời giant off ( khóa S mở):

2

12

o i

V D

V

Chế độ dòng không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong một chu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm dần, phóng năng lượng từ điện cảm sang tải Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điện cảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảm cũng giảm đến 0 Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồi giảm về 0

Khi dòng điện trong cuộn dây tăng từ 0 đến cực đại (đến D.T)

ILmax = VI.D.T

L (1.16)

Dòng điện IL giảm về 0 sau khoảng thời gian δ T:

ILmax +(VI −Vo).δ.T

L = 0 (1.17)

Suy ra:

𝛿 = 𝑉𝑖 𝐷

𝑉𝑜−𝑉𝑖 (1.18)

Dòng điện tải IR bằng dòng điện chạy qua diod (ID), dòng điện chạy qua diod bằng dòng điện chạy qua cuộn dây khi transistor mở Vì vậy dòng điện ra được viết:

Từ biểu thức trên ta thấy, ở chế độ dòng điện không liên tục sự thay đổi điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc vào độ rộng xung điện áp mà còn phụ thuộc giá trị điện cảm, điện áp vào, tần số chuyển mạch, và dòng điện ra

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mạch nguyên lí

Hình 2.1 Sô đồ mạch nguyên lí

2.2 Các khối điều khiển trong mạch

2.2.1 Khối tạo xung

Hình 2.2 Khối tạo dao động

– Chức năng: Tạo xung với tần số không đổi, và đồng thời tạo xung kích chân 2 cho mạch điều chế độ rộng xung

– Nguyên lí hoạt động: Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2 trạng thái đều không bền Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động chuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra

+ 0 ≤ t < t 1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra V0= 1

0



 QRSFF , BJT Q1 tắt: không có dòng đổ qua BJT tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện trở với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị VCC Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng (vC tăng ) cho đến khi áp trên tụ

1 :

0 :

0 2

S v

v SS

R v

v SS

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng thái không bền thứ 2

+ t1≤ t < t2:

Tại thời điểm t = t 1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 Q =1, v0= 0 Vì Q

= 1 nên BJT Q1 dẫn  tụ C xả điện tích qua R2 → chân số 7 → BJT Q1 → mass Tụ càng xả thì điện áp trên tụ càng giảm → điện áp tại chân số 2 và chân số 6 cùng giảm

xuống Khi điện áp trên tụ C giảm đến giá trị VCC vC VCC

3

2

≤

≤ 3

1

thì ta có:

0 :

0 :

v SS

R v

v SS

1 :

v SS

R v

v SS

Hình 2.3 Đồ thì xung ngỏ ra Tính toán độ dài xung ra: Gọi: T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo= 1

T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo= 0

T là chu kì dao động của mạch : T = T1+T2

v

3

1 1

3

2 )

T CC

V

3

1 1

3

2 3

1

1 1

1

CR T

e e

T T

t CC



Khi t = T2 thì vC T VCC

3

1 ) ( 2 

3

2 3

CR T

e V V

T CC

2.2.2 Khối điều chế độ rộng xung

Hình 2.4 Khối điều chế độ rộng xung

– Chức năng: tạo ra xung có tần số theo xung kích và có độ rộng theo yêu cầu , căn cứ vào sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung

– Nguyên lí hoạt động:

 Tín hiệu xung quy định bởi tần số đưa vào chân số 2

 Tụ C được nạp từ Vcc qua trở R3

 Tụ bắt đầu nạp khi tín hiệu ở chân số 2 bằng 1/3 Vcc, thay vì tụ nạp đến điện áp 2/3 Vcc thì nó nạp cho đến bằng giá trị của điện áp hồi tiếp về ở chân số 5, do đó dải điều chỉnh thời gian nạp xã tụ sẻ thay đổi được từ 1/3 Vcc đến Vcc ở chân 5 Điện áp càng tiến về Vcc ở chân số 5 thì thời gian nạp tụ càng lâu, dân đến xung lên càng rộng

mà làm cho điện áp ngỏ ra càng tang

 Tính toán mạch:

0 0

ht o o o ht

C

V C T

I

T I C V

(T ) R

R R o

V I

Hình 2.5 Giản đồ xung

2.2.3 Khối điều khiển

Hình 2.5 Khối điều khiển

 Chức năng: là phần tử chuyển mạch điện tử, có nhiệm vụ đóng ngắt trong mạch

ở tần số cao, chu kì đóng ngắt trùng với chu kì ở chân số 3 của mạch điều chế, qua đó điều chỉnh điện áp tang hoặc giảm ở ngỏ ra

 Nguyên lí hoạt động: Khi đầu vào có xung lên thì làm cho Q2 dẫn, làm cho mosfet dẫn, khi đầu vào có xung xuống thì làm cho Q2 tắt, lúc này Q3 dẫn, mosfet xã dòng qua Q3 về maxx Làm cho mạch đóng ngắt theo chu kỳ như mạch điều chế độ rộng xung

 Tính toán mạch:

2 2

.

cc CEQ BQ

B cc

Đây là mạch giúp giá trị điện áp đầu ra được ổn định theo giá trị mong muốn

Mạch này gồm hai mạch nhỏ là mạch trừ và mạch lấy mẫu:

a) Mạch trừ

Mạch trừ có tác dụng so sánh điện áp rồi đưa tín hiệu về mạch điều chế để thay đổi

độ rộng xung nhằm ổn định điện áp ngõ ra

 Nguyên lý hoạt đông:

Điện áp được lấy môt phần từ mạch phân áp cho ngõ ra được đưa vào chân trừ của op-amp và điện áp đó được so sánh với điện áp đặt ở chân cộng (ở đây điện áp đặt

là 5V) Khi đó điện áp Vout của op-amp sẽ bằng hiệu của điện áp chân cộng với chân trừ

 Thiết lập công thức và tính toán mạch:

Ở đây chọn hệ số khuếch đại R8

R9 bằng 1 nên giá trị của R8 và R9 = 100K

Vsl = (Vđ – Vlm)

Để Vđ bằng 5V nên ở chân cộng sử dụng 1 con diode Zenner 1N4733A để ghim mức điện áp vào ở mức 5V Ta có

Vsl = (5 – Vlm) Chọn Vsl lớn nhất của mạch hồi tiếp là 3,5V ta có :

Mạch lấy mẫu hoạt động dựa trên nguyên lý của một mạch cầu phân áp

 Thiết lập công thức và tính toán mạch

Ta có Vlm = 1,5V

Nên :